HK1162619B - 用於磁控溅射装置中的环状阴极 - Google Patents

Description

用于磁控溅射装置中的环状阴极

技术领域

本发明通常涉及用于将材料沉积到具有低缺陷标准的衬底上的磁控溅射装置，其中，在衬底上沉积的膜具有预定的厚度分布。更具体地，本发明涉及用在磁控溅射装置中的环状阴极以及合并其的磁控溅射装置。

发明背景

溅射镀膜是一种广泛使用的用于在衬底上沉积材料薄膜的技术。在溅射沉积工艺中，离子通常由在辉光放电中的气体原子和电子之间的碰撞产生。离子通过电场被加速到阴极处的涂层材料的靶中，使靶材料的原子从靶表面弹射出。衬底放置在适当的位置上，使得它拦截弹射出的原子的一部分。因此，靶材料的涂层沉积在衬底的表面上。在反应溅射中，气态物种也存在于衬底表面处，并与来自靶表面的原子起反应，且在一些实施例中与来自靶表面的原子组合，以形成所需涂层材料。

在操作中，当溅射气体例如氩被导入镀膜室时，施加在阴极和阳极之间的直流(DC)电压将氩电离成等离子体，且带正电的氩离子被吸引到带负电的阴极。离子使用相当大的能量撞击阴极前面的靶，并使靶原子或原子簇从靶中溅射。一些靶粒子撞击并沉积在待镀膜的晶片或衬底材料上，从而形成膜。

为了获得增加的沉积速率并降低操作压力，使用磁性增强的阴极。在平面磁控管中，阴极包括布置在闭环中并相对于涂层材料的平坦靶板安装在固定位置上的永久磁铁的阵列。因此，磁场使电子在通常称为“跑道”的闭环中行进，该闭环建立发生靶材料的溅射或腐蚀所沿着的路径或区域。在磁控阴极中，磁场约束辉光放电等离子体，并增加在电场的影响下移动的电子的路径长度。这导致气体原子-电子撞击概率的增加，从而导致比在没有使用磁约束的情况下得到的溅射速率高得多的溅射速率。此外，溅射工艺可在低得多的气体压力下实现。

一般，磁控溅射系统在溅射期间在2*10^^-2Pa-1*10^^-1Pa的压力处操作。为了建立这个压力，室一般被抽气降压到<1*10^^-4的压力，且被控制气体流——一般是氩气(且在反应溅射的情况下是氩气和氧气)——被馈送到室中以维持所需压力。在二极管系统的情况下，即，当不使用磁铁时，需要能够点燃并维持等离子体的>2Pa的压力。高压具有平均自由程极大地减小的缺点，这造成大范围的气体扩散。这导致雾蒙蒙的的涂层。

希望创建一种磁控溅射系统，其能增加从一个衬底到另一衬底和从一次操作到另一操作的镀膜速率并产生整个单独的衬底的均匀性。

阴极几何结构，特别是阴极形状、位置和尺寸与待镀膜的物体之间的关系对沉积速率和所镀膜的区域以及产品质量和一致性有明显的影响。整个衬底的层厚度的变化被称为流失量(runoff)。通过建模可预测流失量。希望在大直径衬底上提供良好的膜厚度均匀性和低流失量。

在很多镀膜装置中，使用掩蔽将镀膜速率变化减小到可接受的水平。但随着时间的推进，掩模一般积聚大量的涂层材料。一旦掩模上的材料达到临界厚度，它就可能剥落并促成危害涂层质量的粒子。此外，修整和维持这样的掩模是精细的工艺。另外，当掩模被镀膜时，它们逐渐改变其形状，这连续改变了涂层分布。在一些情况下，溅射粒子的相当大的一部分被屏蔽，这减小了材料利用率。在现有技术中，需要阻挡高达40％的涂层材料的重掩蔽来实现在整个100mm晶片上的+/-1.5％的可接受的厚度分布(流失量)。需要稳定的系统来提供从一次操作到另一操作的均匀性。希望提供不使用掩模的装置。

阳极提供与带负电的阴极不同的电荷。这可以与被提供到室壁的电荷一样简单地被提供。然而，溅射材料也沉积在暴露于溅射原子的任何表面上。如果涂层是电绝缘材料例如金属氧化物，材料在溅射装置的其它部分上的积聚可能引起问题。特别是，绝缘涂层在阳极上的积聚干扰阳极从等离子体移除电子的能力，如维持等离子体的电荷平衡所需要的。这使等离子体不稳定，并干扰沉积控制。涂层积聚将使阳极位置移动到系统中的另一表面。这个不稳定性影响涂层质量。很多现有技术中的阳极被提议克服阳极被涂层材料镀膜的问题。很多现有技术中的阳极在非常高的电压处运行，这也增加了电弧问题，损害了涂层质量。可提供稳定的阳极位置的低电压阳极对确保一致的涂层质量很重要。

增加的涂层容量可通过沉积速率的增加或负荷尺寸的增加或两者组合来实现。为了增加沉积速率，必须增加靶处的功率密度。然而，较高的功率密度导致电弧形成的增加，并且，在一些靶例如硅中，导致靶裂开的增加。较大的靶允许较高的材料移除速率，而不增加功率密度。沉积膜的较大的氧化效率也可增加反应溅射的沉积速率。维持流失量限制是对增加负荷大小的挑战。在阴极和行星驱动装置共享公共中心点的同心系统中，对较大的或较大数量的衬底，增大行星驱动系统需要抛距的增加。这通过增加粒子撞击的概率——也称为“平均自由程的减小”——而增加了气体扩散的问题。结果是涂层的表面粗糙度的增加，其被理解为扩散或薄雾的增加。希望对于3微米厚的应用将吞吐量增加到大于3600cm2/hr，同时维持+/-0.5％的流失量。对于一些工业，镀膜300mm衬底的容量是必要的。希望增加容量，而不牺牲涂层质量。还希望维持低温工艺，而不管增加的功率输入，以便能够处理温度敏感材料。

发明内容

本发明的目的是提供用在磁控溅射镀膜装置中的环状阴极，该磁控溅射镀膜装置具有在大表面积上提供快速镀膜同时维持高涂层质量并最小化材料浪费的几何结构。

本发明的另一目的是提供包括环状阴极几何结构的、产生高质量涂层而不使用掩模的磁控溅射镀膜装置。

本发明的目的是结合低电压阳极容器提供具有环状阴极的磁控溅射镀膜装置。

本发明的目的是提供用在磁控溅射镀膜装置中的环状阴极，所述环状阴极具有在阴极环的中心处的阳极容器。

本发明的另一目的是提供用在磁控溅射镀膜装置中的环状阴极，所述环状阴极具有在阴极环的中心处的反应气体出口。

本发明的目的是提供用在磁控溅射镀膜装置中的环状阴极，所述环状阴极具有在阴极环的中心处的阳极容器，该阴极环可传送活性反应气体。

本发明提供在具有行星驱动系统的磁控溅射装置中增加镀膜区域和靶材料效率的环状阴极几何结构，其中阴极轴相对行星驱动装置偏移。环状阴极几何结构和衬底的偏心双重旋转系统允许实现整个大衬底的良好的镀膜均匀性，而不使用掩蔽。通过降低阴极上的功率密度来维持低缺陷标准。

因此，本发明提供了一种磁控溅射装置，其包括：

行星驱动系统，其具有用于主旋转的中央旋转轴C，并支持多个行星，每个行星具有在行星中心点c_s处的次级旋转轴，且每个行星代表由行星半径r_w描述的镀膜区域，行星驱动系统具有从中央旋转轴C到行星中心点c_s的托架半径r_C；

室，用于容纳阴极和行星驱动系统，适合于在操作中被排空；

气体输送系统，用于将溅射气流提供到室中；

阴极，所述阴极包括靶，所述靶包括用于形成镀层的材料；

其中，所述阴极为环状阴极，所述靶为环状靶，所述阴极具有中心点Cc、大于行星半径的外径r₂(r₂>r_W)和大于外径的四分之一的内径r₁(r₂>r₁>1/4*r₂)；

其中阴极中心点C_c被设置在离中央旋转轴C偏移距离r_T处，所述偏移距离r_T在托架半径r_C的2/3和4/3之间(2/3*r_C<r_T<4/3*r_C)；

以及偏移距离r_T大于阴极的外径的一半(r_T>1/2*r₂)；

以及其中垂直地从靶表面到行星表面的抛距h在阴极的外径r₂的三分之一和阴极的外径的一倍之间(1/3*r₂<h<r₂)。

如本申请所述的磁控溅射装置，其用于将溅射涂层提供到衬底，而不使用掩模。

如本申请所述的磁控溅射装置，还包括用于反应气体的活性源。

如上所述的磁控溅射装置，其中所述用于反应气体的活性源位于环状阴极的中心。

如本申请所述的磁控溅射装置，还包括用于将电压差提供到阴极的阳极，使得阳极是电子的优选返回路径，阳极包括容器的内导电表面，容器具有与室壁电隔离的绝缘外表面，容器具有与室内部相通的开口，开口明显比容器的圆周小，以屏蔽内导电表面而避免最受溅射的材料。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中溅射气体源耦合到容器中，用于通过开口将溅射气体提供到室中，且开口的尺寸被设置，以允许气体流将阳极容器内的压力局部地增加到排空的室的压力之上。

如本申请所述的磁控溅射装置还包括用于反应气体的活性源。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中阳极包括用于溅射气体的源，所述阳极被定位，使得与室内部相通的容器的开口在环状阴极的中心处。

如本申请所述的磁控溅射装置，包括用于反应气体的活性源，其中阳极被定位，使得与室内部相通的容器的开口在环状阴极的中心处。

如本申请所述的磁控溅射装置，包括作为溅射气体的源的阳极，其中，用于反应气体的活性源位于环状阴极的中心。

如本申请所述的磁控溅射装置，包括作为溅射气体的源的阳极，其中，阳极还包括用于反应气体的源，所述源耦合到容器中，用于通过开口提供活性气体及溅射气体进入室中。

如本申请所述的磁控溅射装置，包括作为溅射气体和反应气体的源的阳极，其中，进入包括阳极的容器的室的开口位于环状阴极的中心。磁控溅射装置，包括作为溅射气体和位于环状阴极的中心的活性气体的源的阴极，还包括与阴极存在距离的辅助的活性反应源。磁控溅射装置，其中内径r₁大于外径r₂的二分之一，使得r₂>r₁>1/2*r₂。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中内径r₁大于外径r₂的0.70，使得r₂>r₁>0.70*r₂。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中0.95*r₂>r1>0.6*r₂。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中阴极半径r₂等于或大于行星半径的1.11倍(r2>1.11*r_W)。

如本申请所述的磁控溅射装置，其中阴极包括在与阴极的靶材料相对侧上的永久磁铁材料的内同心环和外同心环，内同心环和外同心环具有相反的极性，用于提供接近于靶的表面的磁场，内同心环和外同心环的轴垂直于靶的表面。

如本申请所述的磁控溅射装置还包括在室内的一个或多个交替的环状阴极，其包括环状靶，环状靶包括用于形成镀层的材料，其中偏移距离r_T大于外径r₂的一倍(r_T>1*r₂)。

如本申请所述的磁控溅射装置还包括用于调节靶表面平面和物体平面之间的抛距的装置。

有利地，本发明增加优于现有技术的在流失量和行星到行星结果中的涂层均匀性。明显放宽了对垂直和水平定位中的机械偏差的容差。因此由于紧密的机械控制，可实现行星到行星均匀性的明显提高。这个质量控制可在相对大的衬底(300mm)上被维持，且尽管对增加的负荷按比例增加，仍然同时维持相对短的抛距。根据本发明，这个均匀性可在不使用掩模的情况下实现。

附图说明

现在根据附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1是移除部分外壁的本发明的镀膜系统的等轴测视图；

图2A是相对于待镀膜的行星衬底，结合了阳极容器的环状阴极的横截面示意图，该环状阴极包括位于其中心处的活性反应气体源；

图2B是相对于待镀膜的行星衬底，具有图2A的活性反应气体源的阴极和阳极的俯视示意图；

图2C是具有分离的径向定位的活性反应气体源的阴极和阳极的俯视示意图；

图3A是根据本发明的实施例的环状阴极靶和行星衬底的俯视示意图；

图3B是环状阴极靶和行星衬底驱动装置的侧视示意图；

图4A是环状阴极的俯视图；

图4B是沿图4A的IV-IV线截取的环状阴极的横截面，其示出靶材料、磁铁和磁力线；

图5是在磁控溅射装置中使用的阳极容器的横截面；

图6是所计算的流失量与环状阴极的可变内径与外径比的曲线；

图7A是所计算的流失量和高度与相对托架半径和阴极位置的关系曲线；

图7B是所计算的衬底数量与相对托架半径和阴极位置的曲线；

图8A是所计算的流失量与归一化托架半径r_C/r_T的关系曲线；

图8B是所计算的抛距与归一化托架半径r_C/r_T的关系曲线；

图9A是对于阴极环尺寸r₁/r₂的范围，所计算的流失量与相对衬底尺寸r_W/r₂的关系曲线；

图9B是所计算的归一化抛距h/r₂与相对衬底尺寸r_W/r₂的关系曲线；

图10A所计算的流失量与相对行星尺寸r_W/r₂的关系曲线；

图10B是所计算的相对抛距h/r₂与相对行星尺寸r_W/r₂的关系曲线；

图11是根据本发明构造的装置的所测量的流失量曲线。

具体实施方式

图1示出磁控溅射镀膜装置10的镀膜室2的等轴测视图。泵8排空镀膜室2，以使镀膜室2在真空条件下操作，这被理解为意味着其中压力在大气压之下。室壁32接地并与带正电的阳极20和带负电的阴极12隔离。在图3A和3B中更详细看到的行星驱动装置14包括绕着中央旋转轴C可旋转的托架16或支架，多个(例如7或8个)行星17被径向支撑在中央旋转轴C周围。托架半径r_C被限定在中央轴C和行星轴Cs之间。图中示出环状阴极12(在本实施例中是两个阴极12)，每个阴极具有从行星驱动装置14的中央轴C偏移的中央轴Cc。阳极20(阳极20的形式为容器，该容器具有与镀膜室2相通的开口)被屏蔽而避免涂层材料，并避免沿直线直接到达阴极12的靶材料。活性反应气体源36被示为在阴极12的中心处。这些位置可以反转成为如下形式：36包括在阴极12的中心处的阳极，而20为布置在离阴极12的一段距离处的活性反应源。虽然活性反应源36的优选位置在离C的径向位置r_C处，如在图2C中看到的。图2A和2B示出了可选的实施例，其中阳极容器20'位于环状阴极12的中心处，也用作反应气体源。如果阳极20'是在阴极的中心处的活性反应气体源(图1中的36)，辅助活性氧气源可位于图1中的20处，以实现较高的沉积速率。磁控溅射镀膜装置10包括用于装入或卸下衬底的负荷锁1或用于镀膜的其它物体23。这允许镀膜室2一直保持在真空条件下。该装置在这里被描绘为向上溅射配置。然而，本发明的几何结构同样适用于向下溅射的、水平的或其它的方位。

脉冲DC磁控溅射是优选的工艺。可选地，本发明也可在DC磁控、AC磁控溅射和rf磁控溅射中实现。

很多光学涂层在其频谱响应中具有可区别的特征。例如，用于颜色分离的边缘滤波器让一种颜色通过，同时抑制其它颜色。为了本公开的目的，在整个200mm或300mm衬底上，对涂层的精度要求被假定为0.5％。对于上面的例子，如果边缘在500nm处，这将转变为2.5nm的绝对边缘位置变化。频谱特征的位置与涂层设计中的层的厚度有关。因此，在整个衬底上的镀膜速率的变化需要在0.5％之下。如果多个衬底在同一批中被镀膜，从一个衬底到另一衬底的变化需要是该值的一部分。频谱特征的位置变化也称为流失量。

在图3A和3B中示意性地更详细示出行星驱动装置14和环状阴极12。行星驱动装置14包括中央轴C和多个次级轴Cs，所述传动系统绕着中央轴C旋转，每个行星17独立地绕着多个次级轴Cs旋转。中央轴C和次级轴Cs之间的距离是托架半径r_C。每个行星17具有半径r_W，该半径r_W限定最大可用镀膜区域。由所需的行星17的数量和尺寸确定行星驱动装置14的尺寸和装置10的容量。

在行星涂层几何结构中的行星17被支撑在离中央旋转轴C的公共距离r_C处。通常为了最佳地使用涂层材料，希望尽可能紧密地布置行星17。每个行星17可支撑单个或多个衬底、光学棱镜、透镜或其它物体23。待镀膜的物体23可包括安装在支撑衬底上的多个较小的分离的部分。行星半径r_w仅仅是限定每个行星17的可使用的镀膜区域。行星17本身在结构上不需要是该尺寸，但需要能够支撑这个半径的衬底23，或在这个区域内镀膜的多个物体23。在优选实施例中，大物体(例如大型光学装置)可具有高达32mm的厚度。使用被控制的高度调节，被良好地限定的靶表面到物体表面的距离导致最小的流失量。

独立的行星旋转可以包括相对于绕着中央旋转轴C的旋转的协调旋转速率。次级轴Cs优选地平行于中央旋转轴C，但可以成某个其它角度。每个行星17被设置成实质上经历与每个其它行星17相同的条件。在图3B中清楚地看到，物体平面46被示为在衬底或其它物体23的涂层表面处。在物体平面46和阴极12的靶表面平面44之间的抛距h被测量。

环状阴极12具有大于行星半径r_W的大半径r₂。根据对所选的待镀膜的行星尺寸和数量，阴极半径r₂可被优化以维持所需的流失量。一个其它因素是环宽度。阴极具有内径r₁。环越窄，即，r₁/r₂越大，支架或衬底17就可以越大，以实现相同的均匀性。较大的阴极半径需要较低的功率密度来实现高沉积速率，而不管阴极12中的高总功率。这最小化了在靶24上的电荷积聚和因而产生的电弧形成。阴极12的中央轴C_c从中央轴C平移一段偏移距离r_T。该平移或偏移距离r_T等于托架半径r_C的2/3和4/3之间。最优选的偏移等于托架半径r_C(rT＝r_C)，而在托架半径的0.7到1.3倍的范围实现类似的流失量控制。这些值随着阴极环宽度r₁/r₂和所确定的流失量限制而改变，如可在图8A中看到的。偏移距离根据待镀膜的衬底的尺寸或数量而改变。

阴极12具有在靶的腐蚀区处测量的内径r₁和外径r₂，这在图4B中清楚地示出。这些半径一起限定优选的窄的环。涂层材料的阴极12和靶24都实质上具有相同的圆环形状和尺寸。内径可以长达0.98*r₂，且应为至少0.25*r₂。而在0.55*r₂处看到改进的结果。对于300mm衬底，使用0.70或更大的r₁/r₂的窄阴极环实现最佳流失量。外径r₂取决于行星17的半径r_W。半径r₂大于行星半径(r₂>r_W)，且理想地是行星17的半径的2倍。阴极半径可以大于r₂>2*r_W，虽然这取决于在室中的空间限制。当比较相等宽度的环(例如，r₂-r₁)时，较大半径(r2)的环状阴极导致更好的涂层均匀性。这可在图6中看到。注意到单独的大靶不一定导致良好的均匀性是很重要的。模拟表明，圆形(非环形)高利用阴极导致差的均匀性。模拟数据在图6中示出。通过数值建模来预测本发明的几何结构的性能。该几何结构的模拟表明，对于给定的靶和衬底尺寸(外径)，跑道环越窄，整个衬底的涂层均匀性就越好，对于内径r₁达到大约0.98*r₂的实际限制。进一步观察到，当比较相等宽度的环时，较大直径的环状阴极导致更好的涂层均匀性。图6示出对于衬底尺寸r_W/r₂＝0.69，半径流失量与相对环半径r1/r2的关系曲线。随着环变窄，该曲线清楚地显示降低的流失量。在r₁/r₂>0.25处看到小于2％的流失量。对环r₁/r₂>0.55，预测为更好的流失量。理想范围出现在0.9>r₁/r₂>0.55之间。在相对的轴上，抛距h依据相对环半径r₁/r₂被绘制。从r₁/r₂＝0.25到r₁/r₂＝0.9，从靶平面44到物体平面46的抛距h从90mm增加到240mm。

如图4A和4B所示，大环状阴极12包括内磁环35和外磁环37。环状靶可以被描述为具有内跑道半径和外跑道半径。磁控阴极的跑道描述材料被喷射的区域。对该模式的主要贡献者是在靶24前面的水平磁场强度。磁场由在靶之下的两个同心环中的永久磁铁35、37产生。内磁环35具有实质上等于或小于r₁的半径，而外磁环37具有实质上等于或大于r₂的半径。这两个磁环35、37具有相反的极性，其轴垂直于靶24的表面44。由于相对窄的环，可能实现高磁场，其导致低靶电压(在-250V到-650V之间)并通常降低沉积层中的应力。在大环状阴极中，在环的内部有足够的空间，以为了更好的靶利用率而包括额外的磁铁来优化磁场形状。可使用任何电模式(例如RF、DC、脉冲DC、MF、双阴极-AC、单阴极AC)来驱动阴极。

根据本发明的几何结构允许镀膜装置对更大的容量按比例增大，而对抛距没有大的增加。这有助于在增加容量的同时维持涂层质量。图7A和8A用图形展示随着托架半径r_C的增加，对表面均匀性的影响。图7B展示随着托架半径r_C的增加，行星的数量，因而衬底的数量增加的可能。图8用图形展示了随着托架半径r_C的增加，最佳的抛距。在图7中，使用阴极的恒定的r₂半径进行计算。在图8A和8B中，使用固定的靶位置r_T进行计算，其中r_C＝r_T被归一化。从图8A中的曲线可看到，为了增加负荷大小或衬底尺寸，离这个最佳位置的偏差可被容许，而没有对流失量的较大影响。图8B中的曲线示出，对于不同的靶环尺寸r₁/r₂的抛距h的所需增加，其中也使用对r_C＝rT归一化的固定靶位置进行计算。抛距影响镀膜速率和靶材料的使用效率。它对涂层质量也有重要的影响。靶到衬底的距离越大，溅射原子扩散到其余的工作气体(氩气和氧气)中的概率就越高。该扩散导致溅射粒子的能量的减小和方向的改变。这两种机制对涂层质量都有负面影响，导致粗糙的涂层，且在介质膜的情况下，导致模糊和光散射。在本发明中的较低的抛距h对于提高涂层容量和提高较大涂层容量的质量是很重要的。

图9A中的曲线展示行星尺寸r_W对均匀性的影响。可看到，阴极环越窄，r1/r2＝0.90，行星就可以越大，以实现相同的均匀性。对于2％的流失量：

对于r₁/r₂>＝0.48，r_w<0.67*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.48，r₂>1.50*rw

对于r₁/r₂>＝0.55，r_w<0.69*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.55，r₂>1.45*rw

对于r₁/r₂>＝0.76，r_w<0.80*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.76，r₂>1.25*rw

对于r₁/r₂>＝0.90，r_w<0.90*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.90，r₂>1.11*rw

对于5％的流失量：

对于r₁/r₂>＝0.48，r_w<0.50*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.48，r₂>2.00*r_w

对于r₁/r₂>＝0.55，r_w<0.52*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.55，r₂>1.92*r_w

对于r₁/r₂>＝0.76，r_w<0.58*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.76，r₂>1.72*r_w

对于r₁/r₂>＝0.90，r_w<0.65*r₂或者对于r₁/r₂>＝0.90，r₂>1.54*r_w

类似地，图10A示出对于靶24和阴极12的不同内径r₁，均匀性随着行星尺寸的变化。最窄的环(最大的r₁)再次导致最低的流失量。图10B示出相对平坦的抛距与阴极半径(r₂)的比相对于相对行星尺寸的关系曲线。

包括七个150mm半径r_W的衬底和具有290mm的外径r₂的环状阴极的这个几何结构的例子被构造。内阴极半径r₁是220mm，r1/r2等于0.76。托架半径r_C在400mm处等于偏移距离r_T。图11示出该原型的数据，其展示对于不同的抛距h，相对流失量相对于在整个300mm衬底(r_W+150mm)上的位置的曲线。210mm的抛距显示最佳流失量结果。

在优选实施例中，如图1所示，两个阴极12被包括在镀膜室2中，镀膜室2具有不同的靶24，以提供用于多层涂层的不同材料。每个阴极12被独立地操作，而空闲的阴极可被遮蔽以避免污染。(未示出的)靶24可以是，例如，用以形成SiO₂的硅和用以形成Ta₂O₅的钽靶。为了将两个阴极12安装在一个室2中，偏移距离r_T必须大于阴极外径r₂。因为该设计对偏移r_T中的小变化相对不敏感，以这种方式可提供额外和不同的靶材料，而不牺牲涂层质量。每个阴极12到行星驱动装置14的关系r_T是相同的。因此，多个阴极可布置在室中，以提供额外的材料或降低运行时间。在不同靶之间的交叉污染的考虑、在镀膜室2中的可用空间和对较大的室的额外泵成本将部分地确定阴极的数量。

可以对阴极12的位置进行调节，以通过移动阴极12或旋转传动装置14或两者的安装平台，来改变抛距。这可手工或通过启动电动机来完成。也可进行这样的调节来改进对于不同材料的几何结构，或当靶由于使用而被腐蚀时维持距离。可使用在真空下的处理室来进行该调节。在行星驱动装置安装或阴极安装中的高度调节机制允许对不同的衬底或物体厚度进行抛距补偿。在操作中，高度调节可为靶腐蚀提供连续的补偿，以便维持在整个镀膜周期中的正确的抛距h。

对于大约100nm的标准层厚度，行星17的旋转速度应高于300rpm。在非常薄的层(大约10nm)的情况下，需要较高的行星旋转速度(>600rpm)以导致良好的流失量。这假定行星驱动装置14以40-80rpm旋转。

阳极20提供与带负电的阴极不同的电荷。在2005年3月7日提交的相关申请US SN11/074,249中公开了用在本发明中的图5中详细示出的优选阳极20，该申请由本发明的受让人拥有，并通过引用被并入本申请。现在参考图5，示出了以具有铜或不锈钢的内导电表面22的容器或器皿的形式的阳极20，该容器具有在第一端处的用于与真空室2相通的开口21，开口21直接耦合到真空室2。容器20的外表面26是电绝缘的。在横截面视图中，示出了实质上在阳极20周围的用于在操作中维持阳极的温度的水冷却管28。示出了用于提供导管的气体进口29，进入导管的溅射气体可进入阳极容器。开口21的尺寸和溅射气体的流量可被选择成使阳极20局部加压。阳极主体20可布置在真空镀膜室2的外部或内部。此外，开口21可位于阳极容器的侧面或端部上。相对小(明显小于容器圆周)的开口21和在视线之外的开口21到靶的位置，防止涂层材料进入并涂覆阳极容器的内导电表面。在操作中，阳极20被使用氩气加压，氩气在存在适当的点火电压和其后的维护电压时促进镀膜室2中等离子体的形成。比真空镀膜室2的其余部分高的容器20内的压力允许较低的阳极电压和更稳定的溅射条件。正电源导线25将电源连接到阳极20的内导电壁22。图5所示的阳极被设计成使用低阳极电压运行而有很少的或没有电弧形成。大约+15到+60伏的低阳极电压对减小工艺变化是优选的。阳极20通过绝缘材料33与接地室壁32电绝缘。

在优选实施例中，阳极包括具有至少d＝10cm的直径和至少h＝20cm的长度的圆柱形容器，其具有如图5所示在一端处到真空室2并在相对端处封闭的开口21。对于低扩散工艺，室压力低于0.267Pa(2mTorr.)。在阳极处的较高的压力由阳极20的狭窄开口21和经由进口29进入阳极20的工作气体的被控制的流实现。最佳开口具有大约20cm²的面积且优选地是圆的。在操作中，阳极20可被加压到大于0.400Pa(3mTorr.)。这个阳极20可在几乎连续的操作中运行延长的时间段。阳极容器20可方便地位于与阴极12相邻的室壁32中，如图1所示，也用作溅射气体的源。

阳极容器20可合并到环状阴极的中心，如图2所示，因为阳极开口相对远离强磁场。这提高了系统的对称性，这提高了靶利用率。

很多光学涂层需要氧化物或其它化合物的沉积。这样的材料优选地在反应溅射模式中产生，在该模式中，金属靶被溅射，且氧气、氮气或另一反应气体被添加到该工艺。溅射材料和活性氧物种同时到达衬底。例如对于最佳氧部分压力，需要找到最佳氧流量。如果氧流量太低，则膜不是化学计量的并具有高吸收损失。如果它太高，则靶表面变得比必要的更氧化，阻止以最高可能的沉积速率的操作。金属靶的溅射速率可以比完全氧化的靶的溅射速率高10倍。在其基本形式中，反应气体流经质量流量控制器并通过简单的气线或复杂的歧管进入镀膜室。如果氧气被活化并被导向衬底处，则氧化效率可能增加，因而增加可能的沉积速率。

在本发明的这个方面的优选实施例中，感应耦合反应活性源36的输出口位于环状阴极12的中心。实验表明，当来自靶的溅射材料的羽流以及活化和电离氧气的羽流重叠并同时到达待镀膜的衬底时，可以实现低吸收率的金属氧化物的较高沉积速率。因此，在靶的中心中有反应气体源36是几乎理想的解决方案。图1所述的定向氧气活化或加速装置36的使用帮助化学计量膜的形成，同时最小化靶氧化。这样的装置可以是有或没有提取或加速系统的感应或电容耦合等离子体源。源输出可以是电离或以另外方式活化的氧物种(例如，原子氧、臭氧)。实例包括JDSU PAS源、来自Pro Vac的Taurion源、来自Loybold的APS源或其它市场上可买到的离子或活性源。活性氧气源36恰好位于阴极12的中心中的靶表面平面44处。如果活性反应源与阴极分离，则它应被定向成使得阴极12在氧气源36和在离溅射靶表面24的视线外部的物体平面46之间，因为防止在氧气源36处的大量涂层积聚很重要。如图2C所示，氧气源36可安装在离C的半径r_C上，其开口朝着靶平面24和行星17的方向倾斜。开口应在大于或等于离物体平面46的h的垂直距离处。距离h是优选的。如当前几何结构所实现的，接近于物体平面46移动靶表面平面44允许将氧气活性源36定位成较接近于衬底23，同时保持它没有大量涂层积聚。这增加了氧化效率并允许以较高的速率镀膜。公开了用于氧化物的反应溅射工艺。所有方面可以类似地应用于氮化物或其它反应工艺。

在另一优选实施例中，发现阳极容器20是提供活性反应气体的适当结构。我们观察到，阳极容器20在其一般布置中包括等离子体。等离子体由来自阴极12并通过阳极20返回到电源的高密度的电子点燃。离子产生和活性物种的产生的效应类似于在阴极出现的反应：高能e-+Ar＝≥2e-+Ar+或高能e-+Ar＝>e-+Ar*。如果没有氩原子的这个活化，这些将不是阳极处的可见等离子体。假如我们决定对将氧气添加到阳极进行测试，以测试它是否将产生活性和电离氧气。通过将氧气供料耦合到阳极容器20’中，我们能够沉积无杂质的SiO₂单层。这是使用氩气和氧气操作的阳极表现为阳极和活性反应气体源的清楚指示。此外，我们没有观察到阳极的内壁的氧化。图2A中示出该配置。当阳极和氧化源是分离的时，观察到靶磨损的大变化，其限制了靶利用率。在接近于氧化源的一侧上，由于靶氧化的增加，靶磨损低，而在接近于阳极的一侧上，由于等离子体密度的增加，靶磨损高。通过将阳极20包括在阴极12的中心中，消除了一个不对称的源。通过将氧气源与阳极容器20’一起包括在阴极12的中心中，创建了非常对称的系统，且预期靶磨损是均匀的。除了实现较高的沉积速率以外，还可设置位于离阴极12的一段距离处的辅助活性反应源(例如，在图1所示的20处)。

Claims (20)

1.一种磁控溅射装置，包括：

行星驱动系统，其具有用于主旋转的中央旋转轴C，并支持多个行星，每个行星具有在行星中心点C_s处的次级旋转轴，且所述每个行星具有由行星半径r_w描述的镀膜区域，所述行星驱动系统具有从所述中央旋转轴C到每个所述行星中心点C_s的托架半径r_C；

室，用于容纳所述阴极和所述行星驱动系统，适合于在操作中被排空；

气体输送系统，用于将溅射气体流提供到所述室中；及

阴极，所述阴极包括靶，所述靶包括用于形成镀层的材料；

其特征在于，所述阴极为环状阴极，所述靶为环状靶，所述阴极具有阴极中心点C_c，大于所述行星半径r_W的阴极外径r₂，r₂>r_W，和在所述阴极外径r₂的四分之一和所述阴极外径r₂的一倍之间的阴极内径r₁，使得1/4*r₂<r₁<r₂；

其中所述阴极中心点C_c被设置在离所述中央旋转轴C的偏移距离r_T处，所述偏移距离r_T在所述托架半径r_C的2/3和所述托架半径r_C的4/3之间，使得2/3*r_C<r_T<4/3*r_C；

以及所述偏移距离r_T大于所述阴极外径r₂的一半，使得r_T>1/2*r₂；

以及其中从靶表面到行星表面的垂直抛距h在所述阴极外径r₂的三分之一和所述阴极外径r₂的一倍之间，使得1/3*r₂<h<r₂。

2.如权利要求1所述的磁控溅射装置，用于将溅射涂层提供到衬底，而不使用掩模。

3.如权利要求2所述的磁控溅射装置，还包括活性反应气体源。

4.如权利要求3所述的磁控溅射装置，其中所述活性反应气体源位于所述环状阴极的中心。

5.如权利要求2所述的磁控溅射装置，还包括阳极，用于将电压差提供到所述阴极，使得所述阳极是电子的优选返回路径，所述阳极包括容器的导电的内表面，所述容器具有与所述室的室壁电隔离的绝缘外表面，所述容器具有与所述室的室内部相通的开口，所述开口具有明显比所述容器的圆周小的圆周，以屏蔽所述导电的内表面而避免最受溅射的材料。

6.如权利要求5所述的磁控溅射装置，其中所述气体输送系统包括溅射气体源，所述溅射气体源被耦合到所述容器中，用于通过所述容器的所述开口将所述溅射气体流提供到所述室中，且其中所述容器的所述开口的尺寸被设置，以允许所述溅射气体流将所述容器内的压力局部地增加到排空的所述室的压力之上。

7.如权利要求6所述的磁控溅射装置，其中所述阴极被定位，使得与所述室内部相通的所述容器的开口在所述环状阴极的中心处。

8.如权利要求6所述的磁控溅射装置，其中所述气体输送系统还包括反应气体源，所述反应气体源被耦合到所述容器中，用于通过所述容器的所述开口提供活性反应气体流及所述溅射气体流进入所述室中。

9.如权利要求8所述的磁控溅射装置，其中所述阳极被定位成使得与所述室内部相通的所述容器的所述开口位于所述环状阴极的中心。

10.如权利要求9所述的磁控溅射装置，还包括与所述阴极存在距离的辅助的活性反应气体源。

11.如权利要求6所述的磁控溅射装置，还包括活性反应气体源。

12.如权利要求11所述的磁控溅射装置，其中所述阳极被定位，使得与所述室内部相通的所述容器的开口在所述环状阴极的中心处。

13.如权利要求11所述的磁控溅射装置，其中所述活性反应气体源位于所述环状阴极的中心。

14.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其中所述阴极内径r₁在所述阴极外径r₂的二分之一与所述阴极外径r₂的一倍之间，使得1/2*r₂<r₁<r₂。

15.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其中所述阴极内径r₁在所述外径r₂的0.70倍与所述阴极外径r₂的一倍之间，使得0.70*r₂<r₁<r₂。

16.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其中所述阴极内径r₁在所述阴极外径r₂的0.6倍与所述阴极外径r₂的0.95倍之间，使得0.6*r₂<r₁<0.95*r₂。

17.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其中所述阴极外径r₂等于或大于所述行星半径r_W的1.11倍，使得r₂≥1.11*r_W。

18.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其中所述阴极还包括在与所述靶相对侧的所述阴极上的永久磁铁材料的内同心环和外同心环，用于提供接近于所述靶的表面的磁场，所述内同心环和所述外同心环具有相反的极性，所述内同心环和所述外同心环的轴垂直于所述靶的表面。

19.如权利要求1所述的磁控溅射装置，还包括在所述室内的一个或多个附加的环状阴极，每个所述环状阴极包括环状靶，所述环状靶包括用于形成镀层的材料，其中每个所述环状阴极的所述偏移距离r_T大于所述阴极外径r₂的一倍，使得r_T>1*r₂。

20.如权利要求1所述的磁控溅射装置，还包括用于调节所述垂直抛距h的装置。